OT与IT合并成定局拥抱工业物联网时代

工业物联网被视为下一代制造系统的骨干架构,透过OT与IT的串连,让制造系统中各环节的资讯可以被完整撷取并无缝串流,从而达到智慧制造愿景。
2011年德国总理梅克尔宣布启动工业4.0后,全球制造业开始掀起智慧化浪潮,包括中国的「中国制造2025」、美国的网宇实体系统(Cyber​​-Physical System, CPS)、日本的产业重振计画等,除了政府机关外,产业界也开始积极布局,透过工业物联网的建置,链结IT与OT系统,整合制造现场的操作系统与企业端的资讯系统。 
OT系统不求整合只求稳定 
过去制造业的OT系统与IT系统各自负责的工作泾渭分明,OT系统作为制造用途,大部分的工业设备在发展上,走得一向都比消费性电子产业慢,原因有二。一是工业设备造价昂贵,安装困难,不可能如手机、PC大约1~2年就会有一波换机潮,而工业设备一般的使用年限都在7年以上,因此设备供应商都起码必须有5年以上的保证供货期间。二是生产设备首重稳定,能否快速、稳定地持续产程才是业者的第一考量,毕竟工业设备要求的是最适化而非最高效能的产品,加上消费性产品或标准在刚推出时,都会有一段品质的不稳定期,因此工控产业都会等到该技术标准在市面上经过长期的使用,证明已完全成熟后,才会开始导入。例如控制器,传统PLC长期称霸市场,即使PC技术已成熟多年,但也是到了近期才开始被应用在控制方面,而即使如此,产业中仍有PC-based控制器不稳定的印象存在,认为PLC已可提供最适性与稳定性。 
同样的情况也出现在OT系统的工业通讯部分,工业网路从无到有的确是历程艰辛。工业网路不如商业网路的发展迅速有两点因素,首先是成本考量:要建置网路必须花上一笔费用,尤其是针对一些低阶或是非电子类的设备来说,目前网路设备价格虽已逐渐平实,但对规模不大的厂商来说仍是一笔负担。第二是工业网路标准太多,各工控设备厂商从自身利益考量,力推自家的网路规格,协商标准统一时,往往不肯牺牲利益而让步。不同的网路协定各有特点和其存在的环境和价值,而当技术不断地被创新,新的协定持续诞生,使用者往往无所适从,担心一但选用了其中一种协定后,会受制于特定厂商。 
尽管有着上述缺点,面对网路技术所带来的种种优势,工业网路仍开始蓬勃发展起来。其优势最明显的就是省配线,如果可以用一条网路线就将数以百计的元件连接起来,而不必再以并列传输的方式使用数百条传输线,将会大幅减少配线时间与电箱空间;另则依照软体的观点,每个连上网路的元件都被视为物件(Object),这些元件的新增与移除就可以用软体的方式达成控管,而网路化的元件通常也会加入自我诊断的功能,当元件发生故障时,这些讯息可以透过网际网路传回给主控台,主控台再经由网路检测出连接上网的元件来监控并回报。网路的自我建构也同时可以减少系统设定的时间,经由监控每部机器的运作状况所产生的数据,更可提供给企业作为营运参考。 
三种模式架构新世代工业通讯  
在智慧化趋势下,新世代的工业网路开始启动,从图1可以看出,现在OT系统的通讯设计必须包括数位化、双向、多站等特色。整体来说,现在的发展主要有3种现场总线(Fieldbus)模式:第一种是专用、封闭型,规范由各家公司自行研制,往往是针对某一特定应用领域而设,效率也是最高,但是在相互连接时就会显得各项指标参差不齐,推广与维护都比较难以协调。此类专用型工业网路有三个发展方向,第一是走向开放型,使它成为标准,二是继续封闭系统,保持原占有率,三则是设计专用的闸道器与开放型网路连接。 
 
图1 现代化的OT系统的通讯设计包括了数位化、双向、多站等特色。
第二种为开放型,不过所谓的开放型并非全面无条件开放,通常无条件开放的仅有一些简单的标准,其他都是有条件开放,或仅对其成员开放。亦即生产厂商必须为组织成员,产品必须经过该组织的测试、认证才可在该工业网路系统中使用。 
第三种为标准型,例如符合国际标准的IEC61158或IEC62026、ISO11898和ISO11519或欧洲标准EN50170的工业网路。这些也都会遵循ISO/IEC7498国际标准,亦即OSI 7-Layer参考模型,工业网路大都只使用其中的物理层(Physical Layer)、资料连接层(Data Link Layer)和应用层(Application Layer)。一般工业网路的制定是根据现有的通讯介面,或是自己设计通讯晶片,然后再依据应用领域,设定传输格式,例如DeviceNet的物理层与资料连接层是以CANBus为基础,再增加适用于一般I/O点应用的应用层规范。上述三个种类大致架构出目前的工业网路环境,欲建构者可依本身的需求选择适合自己的网路设备。 
网路在一般IT领域已蔚然成林,技术成熟度已然足够,在OT系统上的应用则仍有成长空间,不过近年来藉由智慧制造风潮带起的工业物联网,则将加快其发展速度。就目前来看,OT与IT系统所使用的通讯设备有些许程度差异,工业用的通讯设备在设计上会更重视环境的适应度,包括温度、湿度、防尘、防震等,都比IT的规格更严苛。尽管如此,仍有厂商将一般IT设备使用于工业环境,不过如此一来轻则讯号容易传递出错,重则机台当机、产线停滞,因此厂商要建置工业网路环境时,最好还是透过系统整合厂商做整体规画,以免因小失大。 
工业物联网串连四层架构 
除了上述的三种传统的Fieldbus外,乙太网路在近年被大举导入OT领域,尤其在工业物联网架构中,更成为工业通讯不可或缺的一环。在整体工业环境中,目前仍以Fieldbus作为现场层与控制层之间的链接,但在工业物联网系统中,OT架构还往上扩增了操作层与管理层并连接到IT端,而观察目前发展,云端会是主要整合的平台。 
从架构面来看,工业物联网是由四层产业的产业链组成。第一层为IoT感知层,感知需要大量的感知设备(Sensing Devices),而感知设备之间的沟通技术逐渐发展成以无线为主。第二层是嵌入式平台产业(Embedded),它是一种感知的边缘(Edge),物联网一定是先感知,然后到Edge边缘。第三层是产业应用,第四层是云服务,物联网的云服务是服务「物」的,应用在工厂、物流、零售等,想要把各个场域的感知器连起来,就会需要相关软体程式在其中进行大量的运算与整合,协助资料的分析与应用。 
研华技术长杨瑞祥表示,前端的资料搜集与整合大多是依靠硬体,后端的分析与处理则是软体为重,他以研华推出的WISE-PaaS平台为例,此平台串连四层架构,主要由WISE-PaaS/EdgeSense提供设备联网与无线感测整合的软体服务,透过WISE-PaaS/WISE Agent资料撷取串接感测器进行资料汇流,与IoT边缘智慧伺服器(Edge Intelligence Server, EIS)做初步智慧化分析后,WISE-PaaS/EnSaaS连结云端部署进行指令即时下达,实现物联网端到云的快速沟通串流,让数据从搜集到归纳,再串连到云端一气呵成。 
物联网时代透过云端与网路协助整合资讯已经成为常态,杨瑞祥指出,工业物联网未来将从硬体为主的功能导向,走向软硬整合的数据驱动发展,透过整合的云平台将数据分析工作变得更加简便;另外,因应产业的不断变动包括规格、标准、产业需求、新兴应用等,WISE平台也非常强调弹性「Design for Evolution」概念,期待能透过弹性化的架构与更新机制,满足客户对于上述变动的需求。 
由于未来工业物联网应用层面将会不断扩大,每个不同的垂直产业差异性很大,杨瑞祥强调,WISE与大型的云服务平台相容互补,并不是竞争的关系;研华的云服务可以横跨支援不同的平台,尽管现在大部分的业务模式还是以硬体计价,但软体的搭配已经不可或缺。平均而言,单纯硬体销售的毛利都非常低,与软体有关的云服务营收贡献尽管不高,但却拥有高毛利的特性,部分厂商云服务占营收9%,但却贡献70%的利润。 
另外,由于物联网应用的碎片化特性,大型云平台对于个别产业的特殊需求较难满足,研华从工业电脑的本业出发,针对IIoT发展许多产业专业应用模组,同时,WISE平台也强调线上/线下整合的便利性,与不同的系统整合伙伴还有客户进行深入合作,利用IoT找出产业价值,建立、强化核心竞争力,协助客户技术与产品行销全球。工业物联网被视为下一代制造系统的骨干架构,透过OT与IT的串连,让制造系统中各环节的资讯可以被完整撷取并无缝串流,从而达到智慧制造愿景。
2011年德国总理梅克尔宣布启动工业4.0后,全球制造业开始掀起智慧化浪潮,包括中国的「中国制造2025」、美国的网宇实体系统(Cyber​​-Physical System, CPS)、日本的产业重振计画等,除了政府机关外,产业界也开始积极布局,透过工业物联网的建置,链结IT与OT系统,整合制造现场的操作系统与企业端的资讯系统。 
OT系统不求整合只求稳定 
过去制造业的OT系统与IT系统各自负责的工作泾渭分明,OT系统作为制造用途,大部分的工业设备在发展上,走得一向都比消费性电子产业慢,原因有二。一是工业设备造价昂贵,安装困难,不可能如手机、PC大约1~2年就会有一波换机潮,而工业设备一般的使用年限都在7年以上,因此设备供应商都起码必须有5年以上的保证供货期间。二是生产设备首重稳定,能否快速、稳定地持续产程才是业者的第一考量,毕竟工业设备要求的是最适化而非最高效能的产品,加上消费性产品或标准在刚推出时,都会有一段品质的不稳定期,因此工控产业都会等到该技术标准在市面上经过长期的使用,证明已完全成熟后,才会开始导入。例如控制器,传统PLC长期称霸市场,即使PC技术已成熟多年,但也是到了近期才开始被应用在控制方面,而即使如此,产业中仍有PC-based控制器不稳定的印象存在,认为PLC已可提供最适性与稳定性。 
同样的情况也出现在OT系统的工业通讯部分,工业网路从无到有的确是历程艰辛。工业网路不如商业网路的发展迅速有两点因素,首先是成本考量:要建置网路必须花上一笔费用,尤其是针对一些低阶或是非电子类的设备来说,目前网路设备价格虽已逐渐平实,但对规模不大的厂商来说仍是一笔负担。第二是工业网路标准太多,各工控设备厂商从自身利益考量,力推自家的网路规格,协商标准统一时,往往不肯牺牲利益而让步。不同的网路协定各有特点和其存在的环境和价值,而当技术不断地被创新,新的协定持续诞生,使用者往往无所适从,担心一但选用了其中一种协定后,会受制于特定厂商。 
尽管有着上述缺点,面对网路技术所带来的种种优势,工业网路仍开始蓬勃发展起来。其优势最明显的就是省配线,如果可以用一条网路线就将数以百计的元件连接起来,而不必再以并列传输的方式使用数百条传输线,将会大幅减少配线时间与电箱空间;另则依照软体的观点,每个连上网路的元件都被视为物件(Object),这些元件的新增与移除就可以用软体的方式达成控管,而网路化的元件通常也会加入自我诊断的功能,当元件发生故障时,这些讯息可以透过网际网路传回给主控台,主控台再经由网路检测出连接上网的元件来监控并回报。网路的自我建构也同时可以减少系统设定的时间,经由监控每部机器的运作状况所产生的数据,更可提供给企业作为营运参考。 
三种模式架构新世代工业通讯  
在智慧化趋势下,新世代的工业网路开始启动,从图1可以看出,现在OT系统的通讯设计必须包括数位化、双向、多站等特色。整体来说,现在的发展主要有3种现场总线(Fieldbus)模式:第一种是专用、封闭型,规范由各家公司自行研制,往往是针对某一特定应用领域而设,效率也是最高,但是在相互连接时就会显得各项指标参差不齐,推广与维护都比较难以协调。此类专用型工业网路有三个发展方向,第一是走向开放型,使它成为标准,二是继续封闭系统,保持原占有率,三则是设计专用的闸道器与开放型网路连接。 
 
图1 现代化的OT系统的通讯设计包括了数位化、双向、多站等特色。
第二种为开放型,不过所谓的开放型并非全面无条件开放,通常无条件开放的仅有一些简单的标准,其他都是有条件开放,或仅对其成员开放。亦即生产厂商必须为组织成员,产品必须经过该组织的测试、认证才可在该工业网路系统中使用。 
第三种为标准型,例如符合国际标准的IEC61158或IEC62026、ISO11898和ISO11519或欧洲标准EN50170的工业网路。这些也都会遵循ISO/IEC7498国际标准,亦即OSI 7-Layer参考模型,工业网路大都只使用其中的物理层(Physical Layer)、资料连接层(Data Link Layer)和应用层(Application Layer)。一般工业网路的制定是根据现有的通讯介面,或是自己设计通讯晶片,然后再依据应用领域,设定传输格式,例如DeviceNet的物理层与资料连接层是以CANBus为基础,再增加适用于一般I/O点应用的应用层规范。上述三个种类大致架构出目前的工业网路环境,欲建构者可依本身的需求选择适合自己的网路设备。 
网路在一般IT领域已蔚然成林,技术成熟度已然足够,在OT系统上的应用则仍有成长空间,不过近年来藉由智慧制造风潮带起的工业物联网,则将加快其发展速度。就目前来看,OT与IT系统所使用的通讯设备有些许程度差异,工业用的通讯设备在设计上会更重视环境的适应度,包括温度、湿度、防尘、防震等,都比IT的规格更严苛。尽管如此,仍有厂商将一般IT设备使用于工业环境,不过如此一来轻则讯号容易传递出错,重则机台当机、产线停滞,因此厂商要建置工业网路环境时,最好还是透过系统整合厂商做整体规画,以免因小失大。 
工业物联网串连四层架构 
除了上述的三种传统的Fieldbus外,乙太网路在近年被大举导入OT领域,尤其在工业物联网架构中,更成为工业通讯不可或缺的一环。在整体工业环境中,目前仍以Fieldbus作为现场层与控制层之间的链接,但在工业物联网系统中,OT架构还往上扩增了操作层与管理层并连接到IT端,而观察目前发展,云端会是主要整合的平台。 
从架构面来看,工业物联网是由四层产业的产业链组成。第一层为IoT感知层,感知需要大量的感知设备(Sensing Devices),而感知设备之间的沟通技术逐渐发展成以无线为主。第二层是嵌入式平台产业(Embedded),它是一种感知的边缘(Edge),物联网一定是先感知,然后到Edge边缘。第三层是产业应用,第四层是云服务,物联网的云服务是服务「物」的,应用在工厂、物流、零售等,想要把各个场域的感知器连起来,就会需要相关软体程式在其中进行大量的运算与整合,协助资料的分析与应用。 
研华技术长杨瑞祥表示,前端的资料搜集与整合大多是依靠硬体,后端的分析与处理则是软体为重,他以研华推出的WISE-PaaS平台为例,此平台串连四层架构,主要由WISE-PaaS/EdgeSense提供设备联网与无线感测整合的软体服务,透过WISE-PaaS/WISE Agent资料撷取串接感测器进行资料汇流,与IoT边缘智慧伺服器(Edge Intelligence Server, EIS)做初步智慧化分析后,WISE-PaaS/EnSaaS连结云端部署进行指令即时下达,实现物联网端到云的快速沟通串流,让数据从搜集到归纳,再串连到云端一气呵成。 
物联网时代透过云端与网路协助整合资讯已经成为常态,杨瑞祥指出,工业物联网未来将从硬体为主的功能导向,走向软硬整合的数据驱动发展,透过整合的云平台将数据分析工作变得更加简便;另外,因应产业的不断变动包括规格、标准、产业需求、新兴应用等,WISE平台也非常强调弹性「Design for Evolution」概念,期待能透过弹性化的架构与更新机制,满足客户对于上述变动的需求。 
由于未来工业物联网应用层面将会不断扩大,每个不同的垂直产业差异性很大,杨瑞祥强调,WISE与大型的云服务平台相容互补,并不是竞争的关系;研华的云服务可以横跨支援不同的平台,尽管现在大部分的业务模式还是以硬体计价,但软体的搭配已经不可或缺。平均而言,单纯硬体销售的毛利都非常低,与软体有关的云服务营收贡献尽管不高,但却拥有高毛利的特性,部分厂商云服务占营收9%,但却贡献70%的利润。 
另外,由于物联网应用的碎片化特性,大型云平台对于个别产业的特殊需求较难满足,研华从工业电脑的本业出发,针对IIoT发展许多产业专业应用模组,同时,WISE平台也强调线上/线下整合的便利性,与不同的系统整合伙伴还有客户进行深入合作,利用IoT找出产业价值,建立、强化核心竞争力,协助客户技术与产品行销全球。

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